地板送風(fēng)系統(tǒng)變工況運(yùn)行的模擬研究

馬巧燕，趙樹興

(天津城建大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，天津 300384)

地板送風(fēng)系統(tǒng)變工況運(yùn)行的模擬研究

馬巧燕，趙樹興

(天津城建大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，天津 300384)

結(jié)合工程實(shí)際，選取某公建地板送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)外區(qū)典型房間作為研究對(duì)象，通過理論計(jì)算與CFD軟件模擬相結(jié)合的方法，對(duì)該典型房間在變工況運(yùn)行下的三種調(diào)節(jié)方式進(jìn)行了對(duì)比分析．結(jié)果表明：變風(fēng)量調(diào)節(jié)模式下室內(nèi)熱舒適性最佳；變送風(fēng)溫度調(diào)節(jié)模式下室內(nèi)空氣品質(zhì)最佳；同時(shí)改變送風(fēng)量和送風(fēng)溫度的調(diào)節(jié)模式下，可滿足變工況運(yùn)行下的室內(nèi)熱舒適性、室內(nèi)空氣品質(zhì)均與設(shè)計(jì)工況下的情況基本相同的要求．

地板送風(fēng)空調(diào)；變工況運(yùn)行調(diào)節(jié)；CFD模擬；室內(nèi)熱舒適性；室內(nèi)空氣品質(zhì)

近年來，地板送風(fēng)系統(tǒng)作為一種有效的空調(diào)系統(tǒng)形式，因其布置方式靈活、舒適節(jié)能和能夠?yàn)槿藛T活動(dòng)區(qū)創(chuàng)造良好空氣品質(zhì)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)受到了廣泛關(guān)注，并被逐步應(yīng)用于辦公、商業(yè)等公共建筑中[1].但由于該系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用起步較晚，設(shè)計(jì)規(guī)范也不完整，因此，在工程設(shè)計(jì)以及運(yùn)行調(diào)節(jié)等方面仍存在一些問題．如空調(diào)系統(tǒng)通常按照最不利工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，但隨著室外氣象參數(shù)的改變，空調(diào)系統(tǒng)在絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)并沒有按照設(shè)計(jì)工況運(yùn)行，所以如何在變工況運(yùn)行下合理調(diào)節(jié)送風(fēng)參數(shù)，是關(guān)乎室內(nèi)人員舒適性及室內(nèi)空氣品質(zhì)的重要問題．通過結(jié)合天津地區(qū)的實(shí)際工程，選取地板送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的典型房間，運(yùn)用理論計(jì)算和CFD軟件模擬相結(jié)合的方法，分析系統(tǒng)在變工況下以不同的調(diào)節(jié)方式運(yùn)行時(shí)典型房間的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)，并結(jié)合各項(xiàng)舒適性指標(biāo)和室內(nèi)空氣品質(zhì)來比較各種調(diào)節(jié)方式的優(yōu)劣性．

1 典型房間的選取與建模

1.1 典型房間選取

選取天津圖書館新館三層空調(diào)外區(qū)的一個(gè)典型房間進(jìn)行模擬研究．該房間為閱覽區(qū)，東外墻為玻璃幕墻，其他各墻均為內(nèi)墻(按絕熱壁面處理)．房間形狀為長(zhǎng)方體，尺寸為10.2,m×10.2,m×5.85,m(長(zhǎng)×寬 ×高)；房間地板送風(fēng)口20個(gè)，直徑D＝200,mm；回風(fēng)口2個(gè)，0.8,m×0.32,m，設(shè)置在頂棚．左側(cè)回風(fēng)口距西向外墻為4,m；假定該房間人員總數(shù)為15人，在東外墻附近坐立姿態(tài)的人數(shù)為10人，坐姿人輕度活動(dòng)的散熱量Q＝60,W/m2；其余位置站立的人數(shù)為5人，站姿人輕度活動(dòng)的散熱量Q＝75,W/m2；熒光燈10盞，位于房間4.5,m高度處，熒光燈散熱量Q＝200,W/m2．[2]

1.2 典型房間建模

基于數(shù)值模擬軟件Fluent 6.3對(duì)典型房間進(jìn)行建模，該房間模型大樣如圖1所示．簡(jiǎn)化后的模型及相應(yīng)的邊界條件設(shè)定見表1．

圖1 房間模型大樣

1.3 數(shù)值計(jì)算方法

為使房間模型更加貼近實(shí)際情況，對(duì)空調(diào)房間建立離散傳播輻射模型，以便考慮室內(nèi)壁面之間的輻射換熱．FLUENT軟件在計(jì)算過程中使用射線跟蹤技術(shù)來更新輻射場(chǎng)，并計(jì)算所產(chǎn)生的能量源和熱流[3]．

因本文研究的是不可壓流動(dòng)問題，故采用Segregated求解器進(jìn)行求解；湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型；壁函數(shù)選用標(biāo)準(zhǔn)壁函數(shù)；控制方程的離散格式選用二階迎風(fēng)差分格式；壓力插值格式選用standard格式．此外還采用了Boussinesq假設(shè)考慮浮升力對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響．

表1 模型簡(jiǎn)化及熱邊界層設(shè)定

2 夏季部分負(fù)荷運(yùn)行工況下的數(shù)值模擬

建立典型房間的模型后，基于天津圖書館新館空調(diào)系統(tǒng)在夏季設(shè)計(jì)送風(fēng)溫度19.2,℃和設(shè)計(jì)送風(fēng)速度0.96,m/s，對(duì)夏季部分負(fù)荷工況下典型房間進(jìn)行CFD模擬．在某一負(fù)荷下，送風(fēng)量與送風(fēng)溫差存在如下關(guān)系[4]

式中：V為房間計(jì)算送風(fēng)量，m3/h；Qx為房間計(jì)算顯冷負(fù)荷，kW；ρ為空氣密度(取1.2,kg/m3)；cp為空氣的比定壓熱容(取1.01,kJ/(kg·℃))；△T為送、回風(fēng)溫差，℃．

由式(1)可知，送風(fēng)溫度與送風(fēng)量存在一定的函數(shù)關(guān)系．當(dāng)送風(fēng)口密度與冷負(fù)荷確定時(shí)，送風(fēng)溫度的改變會(huì)導(dǎo)致送風(fēng)速度(即送風(fēng)量)的改變．在夏季，當(dāng)系統(tǒng)處于部分負(fù)荷工況下運(yùn)行時(shí)，為了滿足負(fù)荷變化時(shí)室內(nèi)環(huán)境及人員舒適性的需求，隨著負(fù)荷減小，若需維持送風(fēng)溫度不變，則必然要減小送風(fēng)速度(即送風(fēng)量)；若需維持送風(fēng)速度不變，則必然要提高送風(fēng)溫度．故當(dāng)系統(tǒng)處于某一負(fù)荷工況時(shí)，送風(fēng)參數(shù)(送風(fēng)溫度，送風(fēng)速度)應(yīng)滿足如下關(guān)系

2.1 部分負(fù)荷工況設(shè)定

部分負(fù)荷率是指實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷與設(shè)計(jì)負(fù)荷的比值，用α 表示，α 滿足：0＜α ≤1．文中的部分負(fù)荷率α 從[0.50，0.95]中取值，每間隔0.50設(shè)立一個(gè)工況點(diǎn)．通過式(1)的計(jì)算，可以得到各部分負(fù)荷工況下送風(fēng)溫度的高限值及送風(fēng)速度的低限值．針對(duì)每種工況，將送風(fēng)參數(shù)在取值范圍內(nèi)再進(jìn)行細(xì)分，得到不同的送風(fēng)參數(shù)組合，見表2．

表2 典型房間夏季變負(fù)荷工況下熱舒適性指標(biāo)

續(xù)表

2.2 部分負(fù)荷工況模擬

首先對(duì)設(shè)計(jì)工況下典型房間的溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)進(jìn)行模擬，選取Y＝4.2,m剖面進(jìn)行室內(nèi)溫度場(chǎng)分析，如圖2所示；選取X＝5.05,m剖面進(jìn)行室內(nèi)速度場(chǎng)分析，如圖3所示．然后對(duì)各工況的送風(fēng)參數(shù)組合進(jìn)行模擬：①維持送風(fēng)溫度T＝19.2,℃不變，僅改變送風(fēng)口的出風(fēng)速度(即送風(fēng)量)的變風(fēng)量運(yùn)行模擬；②維持送風(fēng)口出風(fēng)速度V風(fēng)口＝0.96,m/s不變，僅改變送風(fēng)溫度的變送風(fēng)溫度運(yùn)行模擬；③同時(shí)改變送風(fēng)量和送風(fēng)溫度的運(yùn)行模擬．

圖2 設(shè)計(jì)工況下Y＝4.2,m剖面溫度分布

圖3 設(shè)計(jì)工況下X＝5.05,m剖面速度分布

3 室內(nèi)熱舒適性及氣流組織分析

3.1 垂直溫差比較

地板送風(fēng)空調(diào)房間存在溫度分層現(xiàn)象．相差過大的溫度梯度會(huì)使工作區(qū)域內(nèi)的人員產(chǎn)生不舒適感．ISO 7730國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[5]中規(guī)定：人體在坐姿情況下，垂直高度0.1,m腳踝處的溫度與1.1,m坐立頭部處的溫度差值不得大于3,℃．ASHRAE 55—1992標(biāo)準(zhǔn)[6]中規(guī)定：人體在站立情況下，0.1,m腳踝處的溫度與1.8,m站立頭部處的溫度差值不得大于3,℃．從圖2模擬所得的溫度分布可知，各組送風(fēng)參數(shù)的溫度分布均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求．以送風(fēng)參數(shù)(T設(shè)計(jì)，Vmin)送風(fēng)時(shí)，室內(nèi)工作區(qū)平均溫度最接近設(shè)計(jì)溫度，室內(nèi)工作區(qū)溫度分層較少，非工作區(qū)溫度分層較多，垂直溫度梯度較?。?/p>

3.2 吹風(fēng)感比較

吹風(fēng)感是由于空氣溫度和風(fēng)速引起人體局部地方有冷感，從而導(dǎo)致不舒適的感覺．當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，就會(huì)使空調(diào)區(qū)域內(nèi)的人員有吹風(fēng)感，影響人體的舒適度．本文采用不滿意度PD來反映吹風(fēng)感的大小，可用下式來描述不滿意度與風(fēng)速、溫度以及湍流度之間的關(guān)系[7]

式中：Ta為人員附近空氣溫度，取室內(nèi)離地面1.0,m處人員周圍平均溫度為計(jì)算溫度，℃；為人員附近平均空氣流速，m/s；Tu為局部空氣湍流度．計(jì)算結(jié)果見表2．

Fountain等[8]指出，室內(nèi)的平均風(fēng)速要小于0.25,m/s；GB50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]規(guī)定，舒適性空調(diào)夏季室內(nèi)風(fēng)速不應(yīng)大于0.3,m/s．由模擬云圖(見圖3)可知，各組送風(fēng)參數(shù)組合下的室內(nèi)風(fēng)速均滿足規(guī)范要求．由表2的計(jì)算可知，各組參數(shù)的吹風(fēng)感不滿意率PD≤5%，且相差不大，表明在吹風(fēng)感方面各組送風(fēng)參數(shù)均滿足舒適性要求；以送風(fēng)參數(shù)組合(T設(shè)計(jì)，Vmin)送風(fēng)時(shí)PD最小，舒適性最佳．

3.3 室內(nèi)熱環(huán)境比較

文獻(xiàn)[5]中采用預(yù)計(jì)平均熱感覺指數(shù)PMV與預(yù)計(jì)不滿意者的百分率PPD指標(biāo)來描述和評(píng)價(jià)熱環(huán)境．朱穎心[7]提出了基于人體熱平衡方程計(jì)算PMV-PPD的方法

式中：M為人體新陳代謝率，W/m2；TL為人體熱負(fù)荷，W，定義為人體產(chǎn)熱量與人體向外界散出的熱量之間的差值．

由于式(4)比較復(fù)雜，用以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算PMV的數(shù)值[10-11]

式中：a、b、c是系數(shù)；T為室內(nèi)空氣溫度，取室內(nèi)離地面1.0,m處人員周圍平均溫度為計(jì)算溫度，℃；Pv為室內(nèi)水蒸氣分壓力，kPa．查表，以人員在空調(diào)房間里的滯留時(shí)間≥3,h，a＝0.212，b＝0.293，c＝－5.949．計(jì)算結(jié)果列于表2．

文獻(xiàn)[9]中規(guī)定，采暖與空氣調(diào)節(jié)室內(nèi)熱舒適性指標(biāo)宜為：－1≤PMV≤1，PPD≈26%．由表2的計(jì)算結(jié)果可以看出，各組送風(fēng)參數(shù)組合的PMV-PPD均滿足規(guī)范要求，且以送風(fēng)參數(shù)組合(T設(shè)計(jì)，Vmin)送風(fēng)時(shí)PMV-PPD最小，舒適性最佳．

3.4 空氣品質(zhì)及空氣齡比較

室內(nèi)空氣品質(zhì)指一定時(shí)間和一定區(qū)域內(nèi)，空氣中所含有的各項(xiàng)檢測(cè)物達(dá)到一個(gè)恒定不變的檢測(cè)值．它不僅影響到人體的舒適和健康，而且對(duì)室內(nèi)人員的工作效率有顯著影響．空氣齡是評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣品質(zhì)的重要指標(biāo)[12]，最早在20世紀(jì)80年代由Sandberg[13]提出．它是指房間內(nèi)某點(diǎn)處空氣在房間內(nèi)已滯留的時(shí)間，即空氣質(zhì)點(diǎn)自進(jìn)入房間至到達(dá)室內(nèi)某點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間．它既反映了室內(nèi)空氣的新鮮程度，同時(shí)也反映了去除污染物的能力，綜合衡量了房間的通風(fēng)換氣效果，揭示了室內(nèi)空氣的流動(dòng)形態(tài)．

從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度來分析，房間某一點(diǎn)的空氣是由大量不同的空氣微團(tuán)組成，某一點(diǎn)的空氣齡為該點(diǎn)所有空氣微團(tuán)的空氣齡的平均值，稱為平均空氣齡(mean age of air)．平均空氣齡越小，室內(nèi)空氣品質(zhì)越佳．通過Airpak軟件進(jìn)行模擬研究，在數(shù)值模擬中得到各工況下的平均空氣齡．根據(jù)所得模擬結(jié)果，繪制出不同調(diào)節(jié)模式下平均空氣齡隨部分負(fù)荷率α變化的關(guān)系曲線．由于模擬工況較多，故只給出臨界的兩條曲線，其他各條曲線均處于這兩條曲線之間，如圖4所示．

圖4 變工況下不同調(diào)節(jié)模式下的平均空氣齡

由圖4可知：①在變風(fēng)量調(diào)節(jié)模式下，隨部分負(fù)荷率的減小，平均空氣齡逐漸增加；②在變送風(fēng)溫度調(diào)節(jié)模式下，隨部分負(fù)荷率的減小，平均空氣齡逐漸減?。谕瑫r(shí)改變送風(fēng)量和送風(fēng)溫度的調(diào)節(jié)模式下，平均空氣齡隨部分負(fù)荷率α 變化的各條關(guān)系曲線均位于圖4所示兩條臨界曲線之間．即在此種調(diào)節(jié)模式下，各部分負(fù)荷率下的平均空氣齡位于前兩種調(diào)節(jié)模式下相同部分負(fù)荷率的平均空氣齡之間．

4 結(jié) 論

(1)當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)在負(fù)荷變化時(shí)采用變風(fēng)量調(diào)節(jié)模式，即以送風(fēng)參數(shù)(T設(shè)計(jì)，Vmin)送風(fēng)時(shí)，各項(xiàng)熱舒適指標(biāo)較理想，室內(nèi)熱舒適性明顯優(yōu)于變送風(fēng)溫度調(diào)節(jié)模式及同時(shí)改變送風(fēng)量和送風(fēng)溫度的調(diào)節(jié)模式．

(2)當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)在負(fù)荷變化時(shí)采用變送風(fēng)溫度調(diào)節(jié)模式，即以送風(fēng)參數(shù)(Tmax，V設(shè)計(jì))送風(fēng)時(shí)，室內(nèi)空氣品質(zhì)明顯優(yōu)于變風(fēng)量調(diào)節(jié)模式及同時(shí)改變送風(fēng)量和送風(fēng)溫度的調(diào)節(jié)模式．

(3)當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)在負(fù)荷變化時(shí)采用同時(shí)改變送風(fēng)量和送風(fēng)溫度的調(diào)節(jié)模式時(shí)，室內(nèi)熱舒適性及室內(nèi)空氣品質(zhì)的效果介于變風(fēng)量調(diào)節(jié)模式與變送風(fēng)溫度調(diào)節(jié)模式之間，且送風(fēng)溫度與送風(fēng)速度應(yīng)滿足關(guān)系式T設(shè)計(jì)≤T≤Tmax，Vmin≤V≤V設(shè)計(jì)．在此調(diào)節(jié)模式下，可滿足變工況運(yùn)行下的室內(nèi)熱舒適性、室內(nèi)空氣品質(zhì)均與設(shè)計(jì)工況下的情況基本相同的要求．

［1］ 周文慧，劉 東. 辦公建筑內(nèi)地板送風(fēng)和置換通風(fēng)模式對(duì)室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量影響的數(shù)值模擬對(duì)比研究[J]. 建筑節(jié)能，2011，40(251)：10-13.

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［6］ ANSI/ASHRAE Standard 55—1992，Thermal environmental conditions for human occupancy[S].

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The Simulation Researches of UFAD System Operation Under Variable Working Condition

MA Qiao-yan，ZHAO Shu-xing
(School of Energy and Safety Engineering，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China)

This paper,combing with engineering practice,takes the typical conditioned space of underfloor air distribution (UFAD) system in perimeter zone as the research object. Three kinds of regulating modes under variable working conditions were analyzed and compared regarding their merits and demerits by using theoretical calculation combined with CFD simulation. Result indicates that the indoor thermal comfort is the best under the variable air volume adjustment mode. The indoor air quality is the best under the variable air temperature adjustment mode. The indoor thermal comfort and indoor air quality in variable working condition could be same to those in the design condition under the adjustment mode of changing both air volume and air temperature.

UFAD；regulating of variable working condition；CFD simulation；indoor thermal comfort；indoor air quality

TU831.3

A

2095-719X(2015)02-0129-05

2014-09-18；

2014-11-12

馬巧燕（1990—），女，河北保定人，天津城建大學(xué)碩士生.

趙樹興（1962—），男，天津城建大學(xué)教授，碩士，從事熱能工程領(lǐng)域的研究．E-mail：zhaoshuxing@126.com